綜合故障監測技術用于天然氣壓縮機組

張文琦 張浩然

（長慶油田采氣三廠第一處理廠 內蒙古鄂爾多斯）

一、引言

蘇里格氣田屬于低壓、低滲、低產、低豐度的“四低”氣田，隨著氣田不斷發展和工藝技術不斷改進，天然氣壓縮機已經成為氣田開發過程中必不可少的增壓設備。隨著現代科學技術的迅速發展，天然氣壓縮機日益朝著大型化、高度自動化、高附加值的方向發展，造成機械設備與電子控制系統之間的聯系更加緊密，一旦某一部位發生故障，將造成整臺設備癱瘓，而且頻繁的故障和較長的檢修時間常常造成巨大的經濟損失和人員傷亡事故的發生，對天然氣壓縮機的可靠性、可用性、可維修性、經濟性和安全性提出了越來越高的要求。

在天然氣開采、集輸和處理過生產程中對壓縮機的依賴性更強，對壓縮機完好率、運行時效、增壓效率及安全節能等要求越來越高，因此，在設備運行實際過程中，如能對隱含的故障進行正確的早期預報和診斷，使壓縮機在不分解的情況下就能準確的判斷出故障部位，借助先進的傳感器技術和動態測試技術與計算機信號處理技術，分析設備中異常的情況和原因，對于減少和預防事故的發生，實現壓縮機預知維修是延長設備保用壽命、降低維修費用、消除天然氣壓縮機運行過程中安全隱患、提高生產經濟效益具有很大的促進作用。

二、往復式壓縮機運行中常見故障及原因分析

往復式壓縮機是石油、化工生產流程中的重要設備，其運轉狀況關系到整個生產流程運轉狀況。如果運行中的壓縮機出現非計劃性停車，將導致一系列問題：影響工藝流程、造成巨大的生產損失、增加額外的維修費用、影響人員、環境及設備安全。研究表明80%的非計劃性停車是由于氣閥、活塞/活塞桿、填料、活塞環/支承環故障引起的。對往復壓縮機進行狀態監測可以提前發現診斷以上故障，防患于未然，減少意外停機和災難性事故，保證設備長周期、安全穩定運行，保證生產流程的正常運行。因此，對往復壓縮機進行綜合監測可以在早期確認設備故障根源、延長壓縮機的運行周期、避免非計劃性停機、提高壓縮機的可靠性、降低運行成本、提高產量、增加潛在的利潤、增加人員及設備的安全性

根據多年的使用維護經驗，天然氣壓縮機故障主要歸納為2大類：一類是流體性質的,屬于機器熱力性能故障。主要表征是壓縮機工作時排氣量不足,排氣壓力、溫度及級間壓力、溫度異常等；另一類是機械性質的，屬于機器動力性能故障,其主要特征是壓縮機工作時異常的響聲、振動和過熱。往復壓縮機設備故障主要體現在3個方面，一是氣閥故障，主要表現為吸氣閥或者排氣閥泄漏、閥門撞擊、閥門開啟關閉異常、斷簧等故障；二是缸體和活塞件等運動件故障，主要表現為十字頭敲擊、活塞磨損、活塞鎖緊螺母松動、大小頭瓦磨損或者間隙異常、主軸承故障等；三是壓縮機性能故障，包括活塞桿超載、填料函泄漏、壓縮機容量、功率、效率降低等。另外針對往復壓縮機的輔機等旋轉設備常見故障。

三、往復式壓縮機綜合故障監測技術應用

往復式壓縮機作為復雜的機械設備，其故障監測技術手段和方法很多，通常采用的是在線間接診斷方法，即通過二次診斷信息來間接判斷其中關鍵零部件的狀態變化。常見方法：直觀檢測、熱力性能參數監測、振動噪聲監測、智能診斷系統等。

1.往復式壓縮機組綜合故障檢測設備簡介

美國Dynalco公司專業從事往復設備狀態檢測和故障診斷，成立超過40年，其產品廣泛應用在石油、石化、船舶、鐵路、壓縮機制造等行業，是國外在往復設備故障診斷和分析領域取得多年成功應用的專業化公司。2011年采氣三廠配備一套Recip-Trap 9260型往復式壓縮機綜合檢測儀（圖1），并組織人員外出培訓并參與現場檢測技術交流，初步熟悉了檢測儀器的各項應用功能和操作技術。

Dynalco9260CR包括1臺多通道分析儀和Rtwin9.2軟件包，收集機械的工作狀況和性能數據，做出設備管理方面的決策；可以監測分析動力缸、壓縮機及輔機狀態，檢測參數包括振動、壓力、溫度和超聲等，分析包括沖程壓力變化、二階點火和動力缸點 火 峰 值 壓 力 (ECR)統計分析、沖程振動和壓力變化、壓力、振動、超聲和頻譜趨勢分析、壓縮機時域壓力和壓力值的理論-實際比較、族群比較以及頻譜分析、快照獲取、故障檢測、瀑布譜和統計過程控制（SPC）

圖1 往復式壓縮機綜合檢測儀

儀器配置及參數。定相靜態（DC）壓力，使用專利的水冷AQUA-PROBE傳感器，檢測壓力標準范圍：-14.7～5000 Pa或者-14.7～1250 Pa，也可按客戶需求定制。定相振動，低頻（1～8 kHz），標準（ 5.6～44 kHz），中等（ 180～8 kHz）高頻（ 15.6 kHz～44 kHz）。 定相超聲：36 kHz～44 kHz。 紅外測溫，-29～1316 ℃。

定相初階點火，AC（ -10～+10 V）或者 DC（ -10～+10 V）波形分析。定相二階點火，點火時間和統計值（100個循環），波形分析。活塞運動（可選），通過接近探針（200 mV/mil）檢測定相活塞位置波形。 定相振動，位移（ 0～100 mil），速度（ 0～8 ips），加速度（ 0～50 g）。 傳統振動，時域波形和頻譜（ 3～20 kHz），峰值，RMS，pseudo-peak，位移、速度和加速度。速度顯示，磁吸或光速傳感器。位置指示/傳送，次/軸旋轉度數或者次/磁座傳感器用于計時。BETA-LINK是無線的角度位置傳輸和接收系統。

2.往復式壓縮機綜合故障監測技術應用分析

（1）往復式壓縮機綜合故障監測在然氣發動機上的應用分析。通過監測相對于曲軸轉角的壓力、振動、超聲波信號，將氣閥開啟與關閉、氣缸壓縮與膨脹和監測信號對應起來，綜合分析和判斷事件具體性質，得到有價值的信息。監測發動機缸內壓力相對于曲軸轉角的變化關系，得到一組反映燃燒釋放熱能轉變為機械能完善程度的性能參數，如平均有效壓力Pe、指示功率Pi等。分析發動機缸內的壓力曲線和性能數據，能夠判斷各缸不平衡、死缸、爆燃、軟點火、早燃等性能狀況；同時結合各缸相位移動、超聲波曲線，還能判斷進排氣閥、燃氣門、缸套、活塞環、軸瓦等故障。

（2）發動機次級點火電壓波形監測分析及應用。點火次級單缸波形測試主要用來分析單缸的點火閉合角 (點火線圈充電時間)；分析點火線圈和次級高壓電路的性能 (從燃燒線或點火擊穿電壓）；檢查單缸混合氣空燃比是否正常(從燃燒線)；分析電容性能 (白金或點火系統)；查出造成氣缸斷火的原因 (從燃燒線，如：污濁或破裂的火花塞)；單缸次級點火波形可以觀察每個氣缸持續燃燒時間的變化以及電壓和閉合角。

波形分析方法：確認幅值、頻率、形狀和脈沖寬度等判定性尺度，在各缸的點火波形上是一致的。各缸之間的點火峰值電壓高度應基本相等，在急加速或高負荷條件下由于氣缸壓力的增加，所有缸的點火峰值電壓高度都應該增加。任何峰值電壓高度與實際的偏差都意味著可能存在故障。點火波形峰值電壓明顯增高，則表明該缸的點火次級電路中電阻過大。這可能是點火高壓線可能開路或電阻太大。反之，如果有一個缸的點火波形峰值電壓比較低，則可能是點火高壓線短路或火花塞間隙過小、火花塞受污損或破裂。

（3）蘇14-3站1#天然氣壓縮機（DPC-2803）發動機點火電壓波形監測（圖2）。連續采集高壓導線的次級點火電壓波形及100個工作循環的點火統計，分析線圈、導線故障，火花塞間隙，點火提前角等故障。

圖2 點火電壓波形及檢測報告

監測結果分析：1#缸兩個線圈的次級點火電壓波形正常，下部火花塞的電離電壓和震蕩波形偏弱，不及上部火花塞的1/10；2#缸的兩個次級繞組的點火電壓波形也是上下反折的，下部點火信號明顯弱于上部；3#缸下部火花塞的失火率達到86%；6個火花塞的點火提前角平均值為-3.4°，表明點火是在上止點之后才開始。

（4）發動機動力缸壓力-轉角曲線(PT)監測應用。蘇14-3站1#發動機監測分析（圖3）。采集40個工作循環的缸內燃燒壓力曲線，計算各缸的指示功率、判斷各缸做功是否平衡、分析活塞環、進排氣門是否漏氣，是否存在爆燃、失火等故障。

圖3 動力缸PT檢測曲線及報告

檢測結果分析。3個動力缸燃燒開始的角度平均值為19°，這個角度是指壓力曲線脫離純壓縮曲線而開始上升的位置，而這個時刻應該在上止點位置即0°附近出現為最好；這也是因點火提前角滯后引起的。從3個缸的壓力-轉角曲線上可以十分明顯的看到這一情況：活塞經過上止點后，壓力曲線沒有立刻上升，而是逐漸降低，在19°位置才開始上升。

1#缸和2#缸的排氣溫度值為369℃和366℃，在冬季這個溫度值稍偏高，調整點火提前角之后應該會降低。3個缸的超聲波、高頻振動、低頻振動幅值正常；1#缸的振動頻譜中53 Hz的頻率分量幅值高出其他2個缸的2倍以上，原因與1#動力缸偶爾出現的爆燃有關。3個動力缸的指示功率分別為99 kW、125 kW、102 kW，則該機總的指示功率為325 kW。檢查更換3#缸下部火花塞，并調整點火提前角，故障排除，發動機點火正常。

（5）蘇14-5站3#發動機監測分析（圖4）。檢測結果，1#動力缸燃燒開始的角度為 0°，2#缸為-4°，3#缸為-1°，2#缸燃燒稍偏早，動力缸工作行程中有爆燃現象，其余2個缸處于最佳的燃燒起始位置。調整壓縮機點火提前角，使點火開始時間位于上止點前10°。爆燃現象消失。3個缸的排氣溫度值分別為342℃、344℃、343℃，處于較好的范圍之內。3個動力缸的指示功率分別為111 kW、107 kW、107 kW，則該機總的指示功率為325 kW。

圖4 動力動力缸PT檢測曲線及報告

3.發動機動力缸超聲波監測分故障分析及應用

采集每個缸20個工作循環的超聲波、高頻振動、低頻振動波形，分析各缸氣門間隙是否正常、是否漏氣，各缸是否存在爆燃、失火等故障，判斷氣門正時是否正確。二處5#卡特G3616發動機缸頭超聲波檢測分析，見圖5。

圖5 G3616發動抽缸頭超聲波監測信號

根據以上16個動力缸監測到的超聲波圖譜分析。9#缸在排氣門關閉時刻之前約49°曲軸轉角位置出現了偏高的超聲波尖峰（圖6），連續取9#缸8個工作循環超聲波監測圖譜進行觀察，該尖峰依然存在，高頻振動曲線上也有此尖峰，在排氣門關閉時刻的尖峰仍存在；9#缸在壓縮沖程結束時刻至燃燒做功中期這一段時間，超聲波基線呈漸縮形，分析是缸內燃燒粗暴引起。

圖6 9號缸超聲波監測信號

7#缸和11#缸在排氣門關閉之前約20～30°曲軸轉角位置出現了超聲波尖峰，幅值較低，可以暫不考慮；而其他缸在此位置并未出現此信號。

2#缸和16#缸在做功沖程，超聲波曲線出現菱形波形，表明這2個缸存在爆燃。其他缸超聲波、高頻振動和低頻振動信號正常。

4#缸排氣溫度為482℃，稍偏低，其20個做功循環的超聲波波形在排氣門開啟時刻，有一個循環缺失紡錘形波形，表明20個循環中有1個循環不燃燒做功；其余各缸的排氣溫度均在正常范圍之內。

各缸燃燒時間，7#缸時間最長，為5.03 ms；6#缸燃燒時間最短，為3.57 ms；各缸燃燒時間分散度偏大，說明預燃室燃氣濃度調整不均勻。

根據超聲波檢查結果分析，主要問題是發動機2#、9#、11#、16#存在不同程度的爆燃現象，分析為這4個缸預燃室混合氣調整過濃。4#缸燃燒溫度較低，7#缸燃燒時間較長，說明這2個缸混合氣調整過稀，經過重新調整各缸預燃室混合氣濃度，發動機工作平穩，各缸排氣溫度均在503～511℃。

4.發動機高頻、低頻振動監測故障分析及應用

采集每個缸20個工作循環的超聲波、高頻振動、低頻振動波形，分析各缸氣門間隙是否正常、是否漏氣，各缸是否存在爆燃、失火等故障，判斷氣門正時是否正確。

一處理廠2#燃氣發動機（G3608）缸頭高、低頻振動監測分析（ 圖 7）。

圖7 G3608發動機缸頭高低頻振動監測信號

各缸點火時間檢測見表1。7#缸的高頻振動和低頻振動曲線上對應進氣門關閉時刻的沖擊幅值偏高，說明該缸進氣門間隙偏大。各缸燃燒時間分散度稍大，3#缸和6#缸的燃燒時間分別為 4.63 ms和 4.48 ms，稍偏大；1#缸、2#缸、7#缸稍偏小。

表1 各缸點火時間 ms

故障檢查處理：經檢查發現7缸進氣門間隙為0.71 mm，比冷態下標準間隙大0.21 mm，重新調整所有氣門間隙，使用進氣間隙0.5 mm、排氣門間隙1.25 mm、燃氣間隙0.64 mm，故障排除。通過調整各缸預燃室燃氣進氣濃度，將燃燒時間控制在4 ms左右。

5.天然氣壓縮機狀態監測及故障診斷分析

（1）壓縮缸壓力-轉角(PT)曲線、容積(PV)曲線。采集每個雙作用壓縮缸軸側和蓋側20個工作循環的壓力曲線，據此計算每個缸軸側和蓋側的指示功率、處理氣量、氣閥功率損失、余隙百分比。蘇14-5站3#壓縮機檢測，見圖8。

圖8 壓縮機缸壓力-轉角（PT）監測信號

故障分析，1#壓縮缸蓋側的壓力曲線只在2.9 MPa和3.3 MPa之間波動，表明該缸吸氣閥沒有打開，排氣閥一直處于開啟或嚴重漏氣狀態；1#壓縮缸軸側和2#壓縮缸的壓力-轉角(PT)曲線，壓力-容積(PV)曲線正常。

故障檢查處理，經過現場停機檢查，發現排氣閥蘑菇頭彈簧大部分斷裂（圖9），造成排氣密封不嚴，排出口高壓氣體進入壓縮機，導致進氣閥不能打開，漏入氣缸的高壓氣體反復做功，導致進氣閥溫度升高。更換蓋側端排氣閥彈簧及蘑菇閥，故障排除。

圖9 排氣閥蘑菇彈簧斷裂圖

（2）活塞桿受力載荷監測分析。蘇14-5站3#壓縮機監測圖見圖10。

故障分析，因1#壓縮缸蓋側壓力一直在排氣壓力3.2 MPa附近變動，在工作過程中活塞桿未產生反向角，一直處于受壓的狀態，造成十字頭銷和襯套交替潤滑受到影響。更換蘑菇頭彈簧后，故障消除，蓋端壓縮缸工作正常，活塞桿受力及連桿瓦潤滑狀態恢復完好。2#壓縮缸的活塞桿受力載荷曲線和十字頭高頻振動幅值正常。

蘇14-5站3#壓縮機DPC-2803為例分析，壓縮缸振動檢測見圖11，結果顯示，壓縮缸蓋側和軸側的高頻振動幅值正常。

氣閥的超聲波檢測分析見圖12。監測分析，1#壓縮缸蓋側靠里面的排氣閥基線變寬，說明有漏氣的氣流聲傳過，該缸的其他幾個氣閥的超聲波曲線也受到影響，基線有所增寬。其他氣閥超聲波監測正常。

圖10 壓縮缸活塞桿載荷變化信號

圖11 壓縮機振動監測信號

圖12 氣閥超聲波監測信號

氣閥溫度檢測，見圖13。壓縮缸的余隙、指示功率、吸氣和排氣閥功率損失報告。監測分析，由于1#壓縮機蓋端壓縮缸排氣閥漏氣，高壓氣體漏入壓縮缸內反復做功，致蓋端壓縮缸排氣閥溫度上升到88℃，比其他排氣閥溫度高出20～22℃；進氣閥溫度也隨之升高到26℃，比其他進氣閥溫度高出12℃。

壓縮機各缸處理氣量計算分析見表2(每天萬立方米)。總處理氣量=1H+1C+2H+2C=24.05×104m3/d。

表2 各缸處理氣量 （每天萬立方米）

由于1#壓縮缸蓋側（1H）的排氣閥漏氣，其指示功率僅為22 kW，處理氣量為0；壓縮機總的指示功率為286 kW；處理氣量每天24.05萬立方米。檢修排氣閥后，壓縮缸工作正常，故障排除。

圖13 壓縮機氣閥溫度監測信號

四、結論

往復式壓縮機狀態監測及故障的診斷技術在蘇里氣田的應用仍處于探索階段,采用先進的傳感器技術和計算機處理技術進行故障診斷，改變了以往直觀檢測方法，通過各項參數監測與故障分析，可以診斷故障發生的部位，故障產生的類型和性質，采取科學的預防措施，實現設備預知維修，預防各類設備事故的發生，降低設備運行維護費用，提高設備安運行的安全可靠性，能夠滿足設備在線檢測要求。檢測方法簡單、方便、實用，是現代設備故障診斷技術努力的方向。目前大多采用對壓力、溫度、振動、波形信號及綜合參數的監測分析、診斷，進行科學準確的判斷故障類型及部位。大多數故障都可在振動及波形信號中反映出來,對機器的某些故障如采用溫度、壓力信號更直接、簡便,而對整個機器的監測和故障診斷則可建立在各項參數的綜合分析上，對天然氣壓縮機在蘇里格氣田安全運行有很重要的意義。